【AD问答】关于PCB的蚀刻工艺及过程控制

本帖最后由 cooldog123pp 于 2019-8-10 22:31 编辑

印刷线路板从光板到显出线路图形的过程是一个比较复杂的物理和化学反应的过程，本文就对其最后的一步--蚀刻进行解析。目前,印刷电路板(PCB)加工的典型工艺采用"图形电镀法"。即先在板子外层需保留的铜箔部分上，也就是电路的图形部分上预镀一层铅锡抗蚀层，然后用化学方式将其余的铜箔腐蚀掉,称为蚀刻。

一.蚀刻的种类

要注意的是，蚀刻时的板子上面有两层铜。在外层蚀刻工艺中仅仅有一层铜是必须被全部蚀刻掉的，其余的将形成最终所需要的电路。这种类型的图形电镀,其特点是镀铜层仅存在于铅锡抗蚀层的下面。

另外一种工艺方法是整个板子上都镀铜，感光膜以外的部分仅仅是锡或铅锡抗蚀层。这种工艺称为“全板镀铜工艺“。与图形电镀相比,全板镀铜的最大缺点是板面各处都要镀两次铜而且蚀刻时还必须都把它们腐蚀掉。因此当导线线宽十分精细时将会产生一系列的问题。同时,侧腐蚀会严重影响线条的均匀性。

在印制板外层电路的加工工艺中，还有另外一种方法，就是用感光膜代替金属镀层做抗蚀层。这种方法非常近似于内层蚀刻工艺，可以参阅内层制作工艺中的蚀刻。

目前，锡或铅锡是最常用的抗蚀层,用在氨性蚀刻剂的蚀刻工艺中.氨性蚀刻剂是普遍使用的化工药液，与锡或铅锡不发生任何化学反应。氨性蚀刻剂主要是指氨水/氯化氨蚀刻液。

此外，在市场上还可以买到氨水/硫酸氨蚀刻药液。以硫酸盐为基的蚀刻药液,使用后,其中的铜可以用电解的方法分离出来,因此能够重复使用。由于它的腐蚀速率较低，一般在实际生产中不多见,但有望用在无氯蚀刻中。

有人试验用硫酸-双氧水做蚀刻剂来腐蚀外层图形。由于包括经济和废液处理方面等许多原因,这种工艺尚未在商用的意义上被大量采用.更进一步说,硫酸-双氧水，不能用于铅锡抗蚀层的蚀刻，而这种工艺不是PCB外层制作中的主要方法，故决大多数人很少问津。

二.蚀刻质量及先期存在的问题

对蚀刻质量的基本要求就是能够将除抗蚀层下面以外的所有铜层完全去除干净，止此而已。从严格意义上讲，如果要精确地界定，那么蚀刻质量必须包括导线线宽的一致性和侧蚀程度。由于目前腐蚀液的固有特点，不仅向下而且对左右各方向都产生蚀刻作用，所以侧蚀几乎是不可避免的。

侧蚀问题是蚀刻参数中经常被提出来讨论的一项,它被定义为侧蚀宽度与蚀刻深度之比, 称为蚀刻因子。在印刷电路工业中，它的变化范围很宽泛，从1：1到1：5。显然，小的侧蚀度或低的蚀刻因子是最令人满意的。

蚀刻设备的结构及不同成分的蚀刻液都会对蚀刻因子或侧蚀度产生影响，或者用乐观的话来说，可以对其进行控制。采用某些添加剂可以降低侧蚀度。这些添加剂的化学成分一般属于商业秘密，各自的研制者是不向外界透露的。

从许多方面看，蚀刻质量的好坏，早在印制板进入蚀刻机之前就已经存在了。因为印制电路加工的各个工序或工艺之间存在着非常紧密的内部联系，没有一种不受其它工序影响又不影响其它工艺的工序。许多被认定是蚀刻质量的问题，实际上在去膜甚至更以前的工艺中已经存在了。

对外层图形的蚀刻工艺来说，由于它所体现的“倒溪”现像比绝大多数印制板工艺都突出，所以许多问题最后都反映在它上面。同时，这也是由于蚀刻是自贴膜，感光开始的一个长系列工艺中的最后一环，之后，外层图形即转移成功了。环节越多，出现问题的可能性就越大。这可以看成是印制电路生产过程中的一个很特殊的方面。

从理论上讲，印制电路进入到蚀刻阶段后，在图形电镀法加工印制电路的工艺中，理想状态应该是:电镀后的铜和锡或铜和铅锡的厚度总和不应超过耐电镀感光膜的厚度,使电镀图形完全被膜两侧的“墙”挡住并嵌在里面。然而,现实生产中，全世界的印制电路板在电镀后，镀层图形都要大大厚于感光图形。在电镀铜和铅锡的过程中，由于镀层高度超过了感光膜，便产生横向堆积的趋势，问题便由此产生。在线条上方覆盖着的锡或铅锡抗蚀层向两侧延伸，形成了“沿”，把小部分感光膜盖在了“沿”下面。

锡或铅锡形成的“沿”使得在去膜时无法将感光膜彻底去除干净，留下一小部分“残胶”在“沿”的下面。“残胶”或“残膜”留在了抗蚀剂“沿”的下面，将造成不完全的蚀刻。线条在蚀刻后两侧形成“铜根”，铜根使线间距变窄，造成印制板不符合甲方要求，甚至可能被拒收。由于拒收便会使PCB的生产成本大大增加。

另外，在许多时候，由于反应而形成溶解，在印制电路工业中,残膜和铜还可能在腐蚀液中形成堆积并堵在腐蚀机的喷嘴处和耐酸泵里，不得不停机处理和清洁，而影响了工作效率。

三.设备调整及与腐蚀溶液的相互作用关系

在印制电路加工中，氨性蚀刻是一个较为精细和复杂的化学反应过程。反过来说它又是一个易于进行的工作。一旦工艺上调通，就可以连续进行生产。关键是一旦开机就需保持连续工作状态,不宜干干停停。蚀刻工艺在极大的程度上依赖设备的良好工作状态。就目前来讲，无论使用何种蚀刻液，必须使用高压喷淋，而且为了获得较整齐的线条侧边和高质量的蚀刻效果，必须严格选择喷嘴的结构和喷淋方式。

为得到良好的侧面效果,出现了许多不同的理论,形成不同的设计方式和设备结构。这些理论往往是大相径庭的。但是所有有关蚀刻的理论都承认这样一条最基本的原则，即尽量快地让金属表面不断的接触新鲜的蚀刻液。对蚀刻过程所进行的化学机理分析也证实了上述观点。在氨性蚀刻中，假定所有其它参数不变，那么蚀刻速率主要由蚀刻液中的氨(NH3)来决定。因此用新鲜溶液与蚀刻表面作用,其目的主要有两个：一是冲掉刚刚产生的铜离子;二是不断提供进行反应所需要的氨(NH3)。

在印制电路工业的传统知识里,特别是印制电路原料的供应商们,大家公认,氨性蚀刻液中的一价铜离子含量越低，反应速度就越快.这已由经验所证实。事实上，许多的氨性蚀刻液产品都含有一价铜离子的特殊配位基(一些复杂的溶剂)，其作用是降低一价铜离子(这些即是他们的产品具有高反应能力的技术秘诀 ),可见一价铜离子的影响是不小的。将一价铜由5000ppm降至50ppm，蚀刻速率会提高一倍以上。

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五.蚀刻设备的维护

蚀刻设备维护的最关键因素就是要保证喷嘴的清洁，无阻塞物而使喷射通畅。阻塞物或结渣会在喷射压力作用下冲击版面。假如喷嘴不洁，那么会造成蚀刻不均匀而使整块PCB报废。

明显地，设备的维护就是更换破损件和磨损件，包括更换喷嘴，喷嘴同样存在磨损的问题。除此之外，更为关键的问题是保持蚀刻机不存在结渣，在许多情况下都会出现结渣堆积.结渣堆积过多，甚至会对蚀刻液的化学平衡产生影响。同样,如果蚀刻液出现过量的化学不平衡，结渣就会愈加严重。结渣堆积的问题怎么强调都不过分。一旦蚀刻液突然出现大量结渣的情况，通常是一个信号，即溶液的平衡出现问题。这就应该用较强的盐酸作适当地清洁或对溶液进行补加。

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